基于DEM的北部湾入海河流汇水区及子流域划分

麻德明，丁绍昆，谢宜欣

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院 青岛 266100；2.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；3.青岛市黄岛区水利局 青岛 266400）

基于DEM的北部湾入海河流汇水区及子流域划分

麻德明1，2，丁绍昆3，谢宜欣3

（1.中国海洋大学环境科学与工程学院 青岛 266100；2.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；3.青岛市黄岛区水利局 青岛 266400）

文章基于DEM（SRTM Data，90 m分辨率）数据模型，借助美国ESRI公司的ARC/INFO软件中的Arc Hydro模型，采用溯源追踪的方法，基于陆海统筹的理念，对北部湾入海河流进行水文分析，根据汇流能力通过设定阈值提取河网，利用河网和流域出水口划分汇水区和子流域，在此基础上进行叠加分析，计算汇水区和各子流域的面积，并对精度进行检验与评定，为进一步开展基于流域单元的北部湾非点源入海污染总量估算与调控提供必要的基础数据。

北部湾经济区；水文特征；环境治理；水系流域；水利工程

流域河网水系作为重要的基础地理信息要素和基本的水文参数，是描述一个地区地形地貌和水文特征不可或缺的指标之一。汇水区及其子区域的提取往往是水文分析和环境分析的第一步［1］，如土地利用、土壤侵蚀、污染扩散、水资源保护等分析处理中所使用的大量地形特征数据往往是以汇水区域边界为基础。获取流域河网分布通常有两种方法：一种是通过实地测量获取；另一种是基于地形图提取。这两种方法相对比较繁琐，不仅需要大量的人力、物力和财力，而且信息获取的时间周期长，难以跟上现代信息更新的步伐［2］。随着地理信息技术和空间信息科技的发展和进步，数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）作为一种地形信息表达方式，因其快捷方便的操作与存储，已广泛应用于不同领域，尤其是被用来提取流域河网和分析地形对流域径流的影响。

目前多数算法都是针对规则格网DEM，进行河流网络、汇水区及其子流域等地形特征的提取，由于其规则格网的特性以及相对于矢量数据，可更加高效地进行信息提取和空间分析的优势，日益成为水文分析领域普遍采用的方法。从DEM直接获取河网及相关流域特征信息是分布式水文模型研究的基础，随后陆续出现提取汇水区及子区域、水流方向矩阵、水流网络及其他基本水文特征信息的方法［3］，这些方法相对于传统的手工提取方式，在速度及准确性方面都有明显提高，尤其是大范围的汇水区提取。越来越多的GIS软件提供从DEM数据提取汇水区域信息的功能，如ESRI公司的Arc Hydro水文分析模型。

1　Arc Hydro模型介绍

Arc Hydro模型由美国得克萨斯大学水资源研究中心研发，是GIS数据结构和地表水流模拟相结合形成的数据模型。David R.Maidment博士在2000年举办的第20届年度国际GIS用户大会的水文GIS预备会议上，首次提出此模型及其文档草稿，并于2002年最终完成模型的整体设计。

Arc Hydro由数据模型和工具集两大组件构成，其数据模型主要包括5个模块［4］，即Hydrography module、Network module、Channel module、Drainage module和TimeSeries module。其中，Hydrography是水文地理要素模型，描述流域水系及其地理底图信息；Network是水文网络要素模型，搭建数据模型框架，建立要素之间的联系，表达河网信息及其连通性；Channel是河道要素模型，分析河流水动力的细部特征并进行三维显示；Drainage是集水区要素模型，表达水文地理几何特征；Time-Series是时间序列要素模型，存储调查或监测获得的河流水文数据。

2　流域划分

2.1研究区概况

广西北部湾地处中国沿海西南端，位于107°22′E—109°51′E、21°27′N—24°3′N，西起中越边界的北仑河口，东至与广东接壤的英罗港，东南与海南省隔海相望［5-6］。沿岸岸线曲折、港湾众多，主要有铁山港湾、廉州湾、钦州湾、防城港湾和珍珠湾，形成“大湾套小湾”形势。随着北部湾地区社会经济的发展，众多的河口、近海面临富营养化问题，近岸海域污染不断加重。因此，掌握入海河网分布以及汇水区和流域面积，进一步研究入海污染物的总量估算以及对海水水质的影响，对实施北部湾污染综合治理具有重要意义。

广西北部湾经济区入海河流流域面积在50 km2以上的有123条，分别汇成22条干流独流入海，年径流总量约250亿m3，流域面积约1.6万km2；南流江、钦江、大风江、北仑河、茅岭江和防城河6条主要河流年径流量共约170亿m3，年输沙量约2.4×106t（表1）。

表1　广西北部湾主要入海河流特征［7-8］

2.2基础数据

本文中采用的DEM数据是由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量的SRTM 90 m分辨率DEM，作为北部湾河网信息提取的基本数据。该数据覆盖中国全境，精度有1弧秒和3弧秒两种［9］，目前能够获取的中国境内SRTM3文件是90 m分辨率的数据。

护理干预完成之后，对两组患者VAS疼痛度评分比较，观察组患者的疼痛度显著低于对照组，患者舒适度情况更高，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

2.3流域划分方法

从DEM中自动提取流域自然水系是基于水是沿斜坡最陡方向流动的原理，依据DEM中数据点之间的高程差来确定水流方向，然后根据水流方向计算每一个数据点的上游集水区；再利用集水区内部和集水区之间的高程数据，通过设置阈值提取所属水系的高程数据点；最后基于水流方向数据，从源头追溯出整个水系，同时划分子流域，建立河网空间拓扑关系及编码。

遵循“先大后小，逐步递进”原则，按地形的分水线，从规则格网DEM提取汇水区域。采用水系地表径流漫流模型，即借助Arc GIS软件中的Arc Hydro水文分析模块［10-12］，先填洼，根据计算的水流方向和累积流量提取整个DEM区域内河流的汇水网络；再按照不同的需要划分各子流域，完成对流域地形的分割及矢量化，并统计各流域汇水区面积；最后对提取的河网与通过遥感影像解译获取的水系进行叠加分析，并评定精度。具体操作流程如图1所示。

图1　汇水区及子流域划分流程

2.3.1研究区域划分

根据收集的研究资料，结合现场踏勘和识别，借助ArcGIS软件工具，切割出研究区域的DEM数据。

2.3.2洼地填充

由于生成DEM数据时内插的原因以及一些如喀斯特地貌等真实地形的存在，使得DEM表面难免存在着凹陷的区域，在地表径流模拟时会得到错误或偏差较大的水流方向。因此，在计算水流方向之前，应先对DEM进行洼地填充，主要通过Fill工具，生成无洼地DEM。

2.3.3流向确定

地表径流总是从高地势流向低地势，最后汇流到一个出水口入海，因此要科学、准确地识别流域边界，首先要确定水流在每个栅格单元内的流动方向。流向计算基于无洼地DEM，应用Flow Direction工具，通过计算中心栅格与相邻栅格的最大距离权落差（D8算法），最终生成流向图。D8算法是假设单个网格中的水流只有8种可能的流向，即流入相邻的8个网格中，在3×3的DEM网格上，利用最陡坡度法计算中心网格与领域网格间的距离权落差，再用网格中心点落差除以网格中心点之间的距离，取距离权落差最大的网格为中心网格的流出网格，定义该方向为中心网格的流向［7，13-18］。

2.3.4汇流累积量计算

规则格网DEM每个栅格都代表一定单位的水流量，其特征值表示水流流入其中的周围栅格数，反映其汇流能力的强弱。按照水流从高处流向低处的自然规律，根据区域无洼地DEM生成的水流方向栅格数据，溯源追踪计算每个栅格处所流过的水量数值，得到该区域的汇流累积量。

2.3.5河网提取

基于汇流累积矩阵，通过设置阈值，定义某一栅格的特征值大于该阈值时，即汇流面积大于某一面积时，认为其为河网栅格，赋值为1，否则赋值为0，即对栅格二值化，获得满足一定条件的水系栅格图，再对栅格水系进行矢量化，得到矢量河网分布图。阈值的设定在河网的提取过程中至关重要，将直接影响到河网的提取结果及其等级的划分，本研究经多次试验比对，设定阈值为10 000，其单位是栅格数，其结果相对较为合理。

2.3.6流域划分

流域被分水线所包围，是一个水系的干流和支流所流经的整个地区，通过一个公共的出水口形成一个集中的河流汇水区域。在计算水流方向结果的基础上，执行basin命令，自动生成汇水区。

2.3.7子流域划分

子流域是汇水区的一部分，表明流域内的从属关系，其划分是水文模拟的关键一环，也是流域非点源污染的重要研究步骤［19］。本研究基于DEM，根据河流入海口的位置，结合实际情况，从东到西划分为15个子流域，包括白沙河流域、龙江流域、南康江流域、大水江流域、三合口流域、南流江流域、五浪江流域、那务塘水库流域、大风江流域、钦江流域、茅岭江流域、防城河流域、江平江流域、长湖江流域和北仑河流域。

2.3.8编码命名

对整个流域河网和各子流域汇水区按编码规则编码，按照所在水系名称命名。

3　汇水区面积统计

根据划分的汇水区和子流域，并与各市区划图叠加分析，分别计算出流经各市汇水区面积和各入海河流子流域汇水区面积（表2和表3）。

表2　各入海河流汇水区面积

表3　入海河网流经各市汇水区面积

4　精度检验与误差分析

为进一步检验自动提取的流域河网与实际河网之间的偏差并评定其精度，选择南流江流域作为实验区。基于高分辨率遥感影像人工提取该地区的河网，并通过几何纠正或坐标转换，把二者提取的河网及其流域空间分布投影到相同的坐标系下；借助ArcGIS软件工具进行叠加分析，除个别的细部特征略有偏差外，发现二者总体吻合性较好。

与2007年出版的《中国水系辞典》［7］上五大河流的流域面积对比分析可知（表4），除防城河流域外，其他流域的相对误差都在10%以内，说明本研究提取河网及其流域边界的结果具有较高可信度，此外河流越长、流域面积越大则提取的精度相对越高。与2004年出版的《水力资源复查成果》（广西卷）［20］比较可知（表4），除防城河流域外，其他流域的相对误差都在15%以内。防城河流域面积偏差较大的原因：一是90 m分辨率的DEM本身精度不高，导致平坦区域提取的河网和划分的流域边界有一定误差，流域面积统计就会出现偏差；二是《中国水系辞典》和《水力资源复查成果》数据可能主要统计干流流域面积；三是本研究是针对整个广西北部湾沿海区域入海河网及其流域的划分，河网划分更加详细，而且连续布满研究区域，而其他研究的流域面积统计主要针对相对较大的河流，而非广西沿海全部入海河流，故在流域合并技术处理上有所不同，也导致流域面积的偏差。此外，根据比对，防城河流域提取的河网和实际的河网吻合性较高，从总体上来看，本研究提取的河网符合性较好、精度有保证。

表4　与其他研究对比分析

5　结论与讨论

本研究基于90 m分辨率DEM，借助美国ESRI公司的ARC/INFO软件中的Arc Hydro模型，提取入北部湾河网和汇水区，在此基础上划分15个子流域，对提取的河网精度进行评定和误差分析，并对各子流域进行面积统计分析，为进一步开展基于流域单元的北部湾非点源入海污染总量估算与调控提供必要的基础数据。

在提取流域汇水区的过程中，其阈值作为数字水系重要参数，科学设置十分关键，将直接影响提取整个流域河网特征的结果。实验表明，基于90 m分辨率DEM数据提取的北部湾区域流域河网，当阈值取10 000时，生成的流域河网能够较好地反映该地区水系河网。

由于近海区域地势较为平坦、河网复杂、人工对水系干扰较多，加之DEM生成过程中的误差以及DEM分辨率的限制，所提取的水系会出现一些偏差和错误。与真实自然水系相比，其只是对整个流域河网的一种概化描述，会伴随一些伪特征，存在一定的位置误差，导致划分的流域面积与相关部门研究结果有一定的出入。下一步将采用更高分辨率的DEM，研究北部湾平坦区域的细部特征，通过改进河网提取算法等，对河网和汇水区流域边界进行修正和精细化处理，使生成的河网与实际河网更加匹配，提高模拟精度。

域及其子区域的方法［J］.测绘学报，2004，33（1）：129-133.［2］曹玲玲，张秋文.基于SRTM的数字河网提取及其应用［J］.人民长江，2007，38（8）：150-152.

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［1］朱庆，田一翔，张叶廷，等.从规则格网DEM自动提取汇水区

Division of River Catchment and Sub-catchment in Beibu Gulf Based on DEM

MA Deming1，2，DING Shaokun3，XIE Yixin3

（1.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China；3.Huangdao District Water Conservancy Bureau of Qingdao，Qingdao 266400，China）

The research based on DEM（SRTM Data，90m resolution）data model，with the Arc Hydro module of ARC/INFO software，which was developed by United States ESRI Company. By using the method of tracing and tracking，hydrological analysis of the Beibu Gulf rivers was made based on the co-ordination conception.According to the flow ability by setting threshold extracted of river network，the catchment and sub basin was divided by using river network and catchment outlet.Then the area of the catchment and sub-catchment was calculated on the basis of overlay analysis，and the accuracy was tested and assessed.It could provide the necessary basic data to estimate and control the Beibu Gulf non-point source pollution based on watershed unit for further research.

Beibu Gulf economic zone，hydrographic features，Environmental governance，River basin，Water conservancy project

P7

A

1005-9857（2016）09-0099-05

2016-04-08；

2016-07-25

国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项（2014G18）；海洋公益性行业科研专项（201305023，201305009，201405028）.

麻德明，助理研究员，博士研究生，研究方向为海岛、海岸带规划与综合管理技术，电子信箱：mdmwolf@fio.org.cn